Tài liệu Thiết kế bộ khuếch đại nhiễu công suất thấp lna cho máy thu định vị gpsgnss 273619

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN ĐỨC MINH THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU CÔNG SUẤT THẤP LNA CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ GPS/GNSS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội – Năm 2014 MỤC LỤC   LỜI CAM ĐOAN CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH GNSS .... 1 1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 1 1.1.1. Hệ thống định vị dẫn đường GNSS ................................................... 1 1.1.2. Một số ứng dụng GNSS và định hướng phát triển. ........................... 6 1.2. Một số khái niệm.................................................................................... 14 1.2.1. Hệ quy chiếu tọa độ ......................................................................... 14 1.2.2. Hệ chuẩn thời gian ........................................................................... 15 1.2.2.1 Thời gian thiên văn ..................................................................... 15 1.2.2.2. Thời gian nguyên tử ................................................................... 15 1.2.3. Các phép đo tín hiệu vệ tinh ............................................................ 16 1.2.3.1. Phép đo mã (code measurements) ............................................. 16 1.2.3.2. Phép đo pha của sóng mang (carrier phase measurements). ..... 17 1.2.3.3. Phép đo Doppler (Dopler measurement). .................................. 17 1.2.3.4. Sai phân các phép đo trong kỹ thuật DGPS .............................. 18 1.3. Các hệ thống vệ tinh dẫn đường sử dụng vệ tinh GNSS ....................... 18 1.3.1. Hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR - GPS ............................. 18 1.3.2. Hệ thống định vị GLONASS ........................................................... 23 1.3.3. Hệ thống Galileo .............................................................................. 26 1.4. Cấu trúc máy thu GNSS. ........................................................................ 36 1.4.1. Máy thu đổi tần (Super heterodynes Receivers).............................. 36 1.4.2. Máy thu trung tần không ( Zero-IF Receivers)............................... 37 1.4.3. Máy thu trung tần thấp (Low-IF Receivers). ................................... 38           1.4.4. Máy thu đa chuẩn trung tần không/ trung tần thấp (Zero-IF/Low-IF Multi-Standard Receivers). ........................................................................ 39 1.4.5. Máy thu biến đổi kép trung tần băng rộng (Wideband IF Conversion double Receivers). .................................................................. 40 1.4.6. Máy thu số-trung tần (Digital-IF Receivers). .................................. 41 1.4.7. Máy thu biến đổi số trực tiếp (Direct Digitization Receivers). ....... 41 CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ LNA.... 43 2.1. Giới thiệu bộ khếch đại tạp âm thấp – Low noise Amplifier (LNA). ... 43 2.2. Cơ sở thiết kế ......................................................................................... 44 2.2.1. Nhiễu, tạp âm ................................................................................... 44 2.2.2. Hệ số khuếch đại - Transducer Gain................................................ 44 2.2.3. Hệ số ổn định K, tham số tán xạ, phối hợp trở kháng và điều chỉnh.45 2.3. Yêu cầu thiết kế và lựa chọn linh kiện ................................................... 47 2.3.1. Yêu cầu thiết kế ............................................................................... 47 2.3.2. Transitor ATF-54143 ....................................................................... 49 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LNA................. 50 3.1. Giới thiệu công cụ thiết kế ADS – Agilent ............................................ 50 3.1.1. Giao diện thiết và mô phỏng của phần mềm ADS. ......................... 50 3.1.2. Các công cụ tính toán sử dụng. ........................................................ 54 3.2. Các bước thiết kế và mô phỏng. ............................................................ 56 3.3. Kết quả mô phỏng. ................................................................................. 81 3.4. Kết luận .................................................................................................. 83 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 86           LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Hà Duyên Trung. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu mô phỏng LNA được trình bày trong luận văn này là trung trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Học viên thực hiện Nguyễn Đức Minh           CÁC TỪ VIẾT TẮT   ADC Analog-to-digital converter ADS Advanced Design System AGC Automatic gain control BPSK Bi-phase shift key C/A Coarse acquisition code CDMA Code-division multiple access DGPS Differential GPS Galileo European GNSS GIS Geographic information system GLONASS Russian global navigation satellite system GNSS Global navigation satellite system GPS Global positioning system (U.S. GNSS) IF Intermediate frequency IP3 Third-order intermodulation product IRNSS Radio Navigation Satellite Service L1 The GPS and Galileo frequency fL1 = 1575.42 MHz LNA Low noise Amplifier LORAN Long-range radio aid to navigation Navstar GPS GPS NF Noise figure OIP3 Output third-order intermodulation product P-code Precision code PRN Pseudorandom noise code QPSK Quadrature phase-shift keying RF Radio frequency TACAN TACtical Air Navigation UTC Universal Time Coordinated VSWR Voltage standing wave ratio           DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc tổng quát hệ thống GPS ............................................................... 3 Hình 1.2. Nguyên lý định vị tọa độ GPS .................................................................. 4 Hình 1.3. Quy trình định vị hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu ................................. 6 Hình 1.4. Ứng dụng quản lý và giám sát bằng GNSS .............................................. 9 Hình 1.5. Quỹ đạo vệ tinh trong hệ thống GPS ....................................................... 20 Hình 1.6. Vị trí đặt trạm điều kiển và giám sát hệ thống GPS ................................ 21 Hình 1.7. Các thế hệ vệ tinh của GLONASS ........................................................... 24 Hình 1.8 Hệ thống Galileo ....................................................................................... 26 Hình 1.9. Đặc điểm của các thành phần tín hiệu băng E5 ....................................... 28 Hình 1.10. Đặc điểm của các thành phần tín hiệu băng E5 ..................................... 28 Hình 1.11. Tín hiệu gửi bởi các vệ tinh GPS ........................................................... 30 Hình 1.12 Trải phổ năng lượng BPSK 2.046MHz, 1W ........................................... 31 Hình 1.13 Trải phổ BPSK 2046MHz và BPSK 10.23MHz ..................................... 31 Hình 1.14. Tín hiệu băng L2 được truyền bởi vệ tinh GPS ..................................... 32 Hình 1.15. Phổ công suất tín hiệu mới trên băng L2 điều chế QPSK công suất 1W 33 Hình 1.16. Tín hiệu L5 được gửi từ vệ tinh ............................................................. 34 Hình 1.17. Phổ công suất tín hiệu L5 điều chế BPSK, công suất 1W ..................... 35 Hình 1.18. Tín hiệu gửi từ vệ tinh GPS ................................................................... 35 Hình 1.19. Băng tần tín hiệu của GPS và Galileo .................................................... 36 Hình 1.20. Cấu trúc của bộ thu đổi tần. ................................................................... 37 Hình 1.21. Máy thu trung tần không ........................................................................ 38 Hình 1.22. Cấu trúc máy thu trung tần thấp. ............................................................ 39 Hình 1.23. Cấu trúc máy thu đa chuẩn trung tần không/trung tần thấp. .................. 39 Hình 1.24. Cấu trúc máy thu chuyển đổi kép trung tần băng rộng .......................... 40 Hình 1.25. Cấu trúc máy thu số-trung tần. .............................................................. 41 Hình 1.26. Cấu trúc máy thu biến đổi số trực tiếp. .................................................. 42 Hình 2.1. Cấu trúc máy thu GNSS điển hình ........................................................... 43           Hình 2.2 Sơ đồ trở kháng vào/ra mạng 4 cực ......................................................... 45 Hình 3.1. Giao diện chính của phần mềm ADS. ...................................................... 51 Hình 3.2. Giao diện thiết kế chính ........................................................................... 52 Hình 3.3. Giao diện vẽ đồ thị của phần mềm ADS .................................................. 53 Hình 3.4. Giao diện của công cụ tính toán Linecalc. ............................................... 54 Hình 3.5. Bảng tham số tán xạ ATF-54143 ............................................................. 56 Hình 3.6. Cấu trúc ATF-54513 ................................................................................ 57 Hình 3.7 DC Tracer .................................................................................................. 58 Hình 3.8. Mô phỏng phân cực dòng điện ................................................................. 58 Hình 3.9. Điện áp làm việc ATF-54143 ................................................................... 59 Hình 3.10. Nfmin và Gain tại điện áp phân cực Vds = 4V, Ids = 40mA .................. 59 Hình 3.11. Sơ đồ phân cực transistor ATF-54143 ................................................... 60 Hình 3.12. Công cụ Transistor Bias Utility ............................................................. 60 Hình 3.13. Cài đặt tham số phân cực bằng công cụ Bias Utility ............................. 61 Hình 3.14. Sơ đồ mạch phân cực ............................................................................. 62 Hình 3.15. Kết quả kiểm tra điện áp, dòng phân cực ............................................... 63 Hình 3.16. Kết quả mạch phân cực ATF-54143 ...................................................... 63 Hình 3.17. Sơ đồ mô phỏng hệ số tán xạ, hệ số khuếch đại, NF tại tần số 1GHz ~ 2GHz ........................................................................................................................ 64 Hình 3.18. Hệ số khuếch đại cực đại tại tần số f=1.575GHz là 21.186dB .............. 65 Hình 4.19. Hệ số ổn định tại tần số f=1.575GHz là 0.518 ....................................... 65 Hình 3.20. Mạch phối hợp thêm cuộn cảm hồi tiếp ................................................. 66 Hình 3.21a. Hệ số ổn định khi có hồi tiếp đạt StabFact1 = 0.625 <1 ...................... 67 Hình 3.21b. Hệ số ổn định khi chưa có hồi tiếp StabFact1 = 0.518 < 1 .................. 67 Hình 4.22. Hệ số ổn định StabFact1 = 1.002 sau khi sử dụng turning .................... 67 Hình 4.23. Hệ số khuếch đại giảm Maxgain= 17.08dB sau khi sử dụng turning .... 68 Hình 4.24. Sơ đồ mạch sau khi sử dụng thay thế linh kiện ...................................... 69 Hình 4.25a. Hệ số ổn định tăng sau khi thay thế linh kiện ...................................... 70 Hình 4.25b. Hệ số khuếch đại giảm sau khi thay thế linh kiện ................................ 70           Hình 3.26. Mạch sau khi thay thế linh kiện lý tưởng ............................................... 71 Hình 3.27. StabFact và MaxGain sau khi thay thế linh kiện lý tưởng ..................... 72 Hình 3.28. Hệ số NFmin = 0.399 tần số f=1.575GHz ............................................... 72 Hình 3.29. Trở kháng tối ưu đầu vào trên đồ thị Smith .......................................... 73 Hình 3.30. Công cụ Matching Utility ..................................................................... 74 Hình 3.31. Mạch sau phối hợp trở kháng ................................................................ 75 Hình 3.32. Hệ số phản xạ cửa vào và ra < - 10dB .................................................. 76 Hình 3.33. Hệ số khếch đại S21 ~ 16.3dB ............................................................... 76 Hình 3.34. Hệ số nhiễu Nfmin và nf(2)..................................................................... 77 Hình 3.35. Hệ số StabFact = 1.037 ......................................................................... 77 Hình 3.36. Menu truy cập công cụ LineCalc .......................................................... 78 Hình 3.37. Menu truy cập công cụ LineCalc .......................................................... 79 Hình 3.38. Mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng ATF-54143 .............................. 80 Hình 3.39. Kết quả mô phỏng S11, S22 và hệ số phản xạ S12 .................................... 81 Hình 3.40. Kết quả mô phỏng hệ số tạp âm và hệ số ổn định StabFact ................... 81 Hình 3.41. Kết quả mô phỏng hệ số khuếch đại S21 ................................................ 82 Hình 3.42. Kết quả mô phỏng hệ số khuếch đại cực đại của mạch ......................... 82             LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nếu chúng ta sử dụng smartphone có trang bị chức năng dẫn đường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của mình hiện trên màn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp. Vậy thiết bị dẫn đường GPS trên ta đang sử dụng có nguyên lý hoạt động như thế nào? Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt động của Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên gọi mới tổng quát hơn là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS. Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu bao gồm ba hệ thống vệ tinh dẫn đường như sau: GPS do Mĩ chế tạo và hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO do Liên minh Châu Âu (EU) chế tạo được đưa vào sử dụng năm 2008. Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản giống nhau tuy nhiên do mục đich phát triển, công nghệ chế tạo và ứng dụng mà mỗi hệ thống có những đặc điểm riêng công nghệ và kỹ thuật. Trong khuôn khổ luận văn này, bài nghiên cứu được trình bày gồm 3 chương trong đó tìm hiểu công nghệ và kỹ thuật định vị dẫn đường trong hệ thống GNSS, cấu trúc tín hiệu, cấu trúc máy thu định vị GNSS và nghiên cứu thiết kế bộ khếch đại nhiễu công suất thấp cho máy thu định vị GPS/GNSS. Nội dung chi tiết luận văn bao gồm: Chương I: Tóm tắt lịch sử hình thành và phát triển của các hệ thống định vị dẫn đường GNSS. Cấu trúc máy thu định vị GNSS và cấu trúc tín hiệu GPS/Galileo. Các ứng dụng trong các lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng, ứng dụng trong giám sát giao thông, hàng hải, cứu hộ… của hệ thống GNSS tại Việt Nam và trên thế giới. Chương II: Cơ sở lý thuyết và yêu cầu kỹ thuật cho việc thiết kế và mô phỏng LNA cho máy thu GNSS. Phân tích thiết kế các yêu cầu kỹ thuật và lựa chọn linh kiện thiết kế bộ LNA cho máy thu GPS/GNSS.           Chương III: Ứng dụng phần mềm ADS thiết kế mạch mạch khuếch đại nhiễu thấp LNA cho máy thu định vị GPS/GNSS và chi tiết các bước phân tích, thiết kế mô phỏng mạch điện tử bằng phần mềm. Các báo cáo đánh giá kết quả thu được dựa trên các tham số mô phỏng và xây dựng mô hình mạch thực tế phụ vụ sản xuất, chế tạo. Phần cuối cùng dành để tổng kết những vấn đề đã làm được trong luận văn cũng như hạn chế và hướng phát triển của luận văn này.           CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH GNSS   1.1. Giới thiệu 1.1.1. Hệ thống định vị dẫn đường GNSS Khái niệm định vị (Positioning) dùng để chỉ khả năng xác định được vị trí của một đối tượng gắn với một hệ tọa độ không gian nhất định. Khái niệm dẫn đường (Navigation) nhằm chỉ khả năng có thể dẫn dắt tới một đối tượng dịch chuyển trong không gian từ điểm A đến điểm B. Để dẫn đường một đối tượng trước hết phải định vị được đối tượng đó. Thời thượng cổ con người định vị bằng cách đánh dấu lên thân cây, vách hang, sau đó dựa vào vị trí các vì sao bằng các công cụ khá tinh xảo và các tính toán phức tạp, nhất là trong các chuyến đi biển. Hiện nay, trên thế giới có 3 hệ thống định vị toàn cầu là: Hệ thống NAVSTAR (Navigation Signal Timing and Ranging) của Mỹ thường được biết đến với tên ngắn gọn hơn “Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System)”; Hệ thống GLONASS (Globalanaya Navigatsionnaya Sputnilovaya Sistema – Global navigation Satellite System) của Nga; Và hệ thống Galileo của Ủy ban Châu Âu. Năm 1960, không quân và hải quân Mỹ bắt đầu các dự án nghiên cứu việc dẫn đường và định vị bằng vệ tinh. Sau đó các dự án này được hợp nhất vào năm 1973. Đến năm 1978, Block 1 với 11 vệ tinh trong hệ thống định vị toàn cầu GPS (Globe Positioning System) được Mỹ đưa lên quỹ đạo. Hai năm sau đó đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh mới bắt đầu hoạt động. Người Nga lập tức đặt vào quĩ đạo các vệ tinh đầu tiên của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GLONASS vào năm 1982. GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó. GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày. Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường này. Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh định vị           1 toàn cầu GPS (Global Positioning System). Ban đầu là để dùng riêng cho quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch và miễn phí. Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thống định vị dẫn dường sử dụng vệ tinh là GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo được đưa vào sử dụng trong năm 2010. Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản là giống nhau. Ngoài ra, Trung Quốc cho biết cũng đang thực hiện để có hệ GNSS của Trung Quốc. Ấn Độ cũng công bố xây dựng hệ GNSS của mình có tên là IRNSS và đi vào hoạt động năm 2012. Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng. Cụ thể, mô tả hệ thống GPS của Mỹ như sau: - Phần không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD. - Phần điều khiển: để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh. Phần điều khiển gồm các trạm quan sát trên mặt đất được chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh và gửi tới cho trạm chủ, sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào. - Phần người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh: là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng cần có ăng ten cùng máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển. Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GNSS.           2 Hình 1.1. Cấu trúc tổng quát hệ thống GPS Hệ thống GNSS hoạt động như thế nào? Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác sẽ tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Máy thu sẽ kết hợp nhiều khoảng cách đo được tới các vệ tinh khác để có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Để tính được khoảng cách, máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và thông tin khác nữa. Giả sử nếu biết được khoảng cách và toạ độ của ít nhất 4 điểm đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định một cách chính xác. Giả sử rằng (hình 1.2),     3 khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là L1, khoảng cách máy thu đến vệ tinh thứ hai, ba và bốn là L2, L3 và L4. Để xác đinh vị trí cần thoải mãn 4 phương trình: T3 T2 T4 L3 L2 T1 L4 L1 T Hình 1.2. Nguyên lý định vị tọa độ GPS L1=c(t-t1) = (1-1) L2=c(t-t2) = (1-2) L3=c(t-t3) = (1-3) L4=c(t-t4) = (1-4) Trong đó: t1, t2, t3, t4 là thời gian vệ tinh gửi tín hiệu t: thời gian tại máy thu khi nhận được tín hiệu từ vệ tinh c: vận tốc sóng điện từ (tương đương vận tốc ánh sáng) Giả thiết rằng các đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu được đồng bộ hóa, máy thu sẽ có thể tính toán được chính xác thời gian truyền tín hiệu dựa trên thông tin về thời điểm bắt đầu phát tín hiệu trong dữ liệu định vị (navigation data) được phát xuống cho máy thu và thời điểm thu nhận được tín hiệu tại máy thu. Từ đó,     4 khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu được tính toán chính xác bằng cách nhân thời gian truyền với tốc độ truyền ánh sáng đã biết (3.108 m/s). Để xác định được vị trí của mình, tức là giải được ba ẩn số (Xr , Yr , Zr ) hoặc kinh độ, vĩ độ và cao độ, máy thu phải cần thu được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh. Vị trí máy thu sẽ là giao điểm duy nhất của 3 hình cầu có tâm là 3 vệ tinh phát tín hiệu này và bán kính là các khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu tương ứng đã đo được. Tuy nhiên, giả thiết ban đầu là các đồng hồ của vệ tinh và của máy thu đều được đồng bộ hóa với nhau. Đây là một giả thiết rất khó đạt được trong thực tế. Do đó, tiêu chuẩn thời gian nguyên tử cho phép lưu trữ thời gian chính xác đến khoảng nano – giây đã được sử dụng. Công nghệ này đang được sử dụng cho các đồng hồ lắp đặt tại các vệ tinh. Tuy nhiên, công nghệ này không được sử dụng rộng rãi cho đồng hồ ở máy thu vì giá thành rất cao. Các đồng hồ ở máy thu thường dựa trên công nghệ Quarzt và việc đồng bộ hóa thời gian giữa vệ tinh và máy thu trở nên khó thực hiện được. Sai số thời gian nếu không được ước lượng tốt sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác của kết quả ước lượng vị trí máy thu. Ví dụ, sai số về thời gian 1 nano - giây sẽ gây sai số là 30cm trong giá trị ước lượng của khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Do vậy, sự khác biệt thời gian giữa các vệ tinh và máy thu sẽ được coi như là một ẩn số và được giải cùng với các đại lượng vị trí hoặc vận tốc của máy thu. Trong trường hợp cơ bản, máy thu cần thu nhận các tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh để có thể xác định được vị trí của nó. Sau khi xác định được các phép đo khoảng cách, máy thu sẽ dùng phần mềm tương ứng để xác định vị trí, vận tốc và thời gian.           5 Máy thu thu nhận các tín hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh tại thời điểm t. Máy thu giải mã tín hiệu (tại thời điểm t) để có được: - Các giá trị đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Phần mềm (được gắn liền hoặc độc lập với máy thu) xác định: - Vị trí - Tốc độ của máy thu tại thời điểm t - Thời gian Hình 1.3. Quy trình định vị hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 1.1.2. Một số ứng dụng GNSS và định hướng phát triển. Ý tưởng xây dựng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu được hình thành vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, chủ yếu nhằm phục vụ cho các mục đích quân sự của hai cường quốc về công nghệ vũ trụ là Mỹ và Nga. Tuy nhiên, các hệ thống này đã trở nên phổ biến và nhanh chóng chiếm được thị trường cho các ứng dụng dân sự và đem lại nguồn lợi nhuận khổng lồ. Theo thống kê, nếu như lợi nhuận toàn cầu mà ngành công nghiệp định vị nhờ vệ tinh đem lại là khoảng 1 tỷ USD vào năm 1995 thì con số này đã lên tới 7 tỷ USD vào năm 2001. Trong số các châu lục thì Châu Mỹ và Châu Âu chiếm tỷ lệ lợi nhuận cao hơn cả. Năm 1999, thị trường lớn nhất của công nghiệp định vị nhờ vệ tinh là thị trường định vị xe hơi (car navigation) chiếm 73%. Các loại hình dịch vụ khác chiếm     6 tỷ lệ tương đối nhỏ (khoảng 5% mỗi loại), bao gồm ngành hàng không, quản lý giao thông tàu bè, đo đạc trắc địa và giải trí. Theo thống kê của năm 2005, ứng dụng chủ đạo của công nghiệp định vị nhờ vệ tinh là trong điện thoại di động (73%). Thị trường định vị cho xe hơi đứng thứ 2 với tỷ lệ 22%. Các ứng dụng khác vẫn chiếm tỷ lệ nhỏ (1% mỗi loại). Sự phát triển nhanh chóng của nhu cầu định vị cho điện thoại di động bắt nguồn từ yêu cầu của US FCC (US Federal Communications Commission) đối với các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động phải xác định được vị trí của người gọi dịch vụ cấp cứu E – 911 tại Mỹ và E – 112 tại Châu Âu qua điện thoại di động vào cuối thế kỷ XX. Yêu cầu cho độ chính xác tối thiểu là trong vòng bán kính 50m nếu sử dụng công nghệ định vị gắn vào thiết bị di động (handset – based solutions) và 150m nếu sử dụng công nghệ định vị dựa vào mạng liên lạc (network – based solutions). Định vị cho các thiết bị di động dùng hệ thống vệ tinh GPS trở thành một đáp án chiếm ưu thế, vì khả năng bao phủ toàn cầu của tín hiệu vệ tinh và giá thành thấp. Kéo theo việc thỏa mãn yêu cầu này, một loạt các dịch vụ dựa trên thông tin về vị trí của khách hàng của các dịch vụ di động (location – based services) đã được ra đời. Năm 2003 thống kê lợi nhuận đạt được từ các dịch vụ này lên tới 0.3 tỷ USD. Quân sự Ứng dụng của GPS đã được phát triển mạnh mẽ, với độ chính xác cao trong định vị máy bay chiến đấu, máy bay dân dụng, nhảy dù, tàu chiến cũng như định vị và điều khiển tên lửa và ngắm bắn mục tiêu. Ngoài ra, các thiết bị thăm dò, theo dõi và thiết bị tấn công có khả năng di chuyển không người lái cũng đều dựa trên khả năng định vị được đối phương. Trắc địa, bản đồ, đo đạc địa chấn Một trong các ứng dụng dân sự đầu tiên của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu là ứng dụng trong ngành đo đạc trắc địa và bản đồ, với các máy định vị chất lượng cao. Ứng dụng trong lĩnh vực này thường bao gồm việc xây dựng tọa độ cho các điểm mốc trong trắc địa với độ chính xác tới mm. Ngoài ra, kỹ thuật định vị còn được dùng rất phổ biến trong xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GIS), ví dụ như           7 tạo dữ liệu về hệ thống đường giao thông và vị trí của các nơi công cộng quan trọng như bệnh viện, trường học, các danh lam thắng cảnh, dịch vụ vui chơi, giải trí… Định vị nhờ vệ tinh cũng đóng vai trò quan trọng trong giám sát chấn động, độ dịch chuyển của mặt đất và các cấu trúc hạ tầng như đập thủy điện, cầu, nhà hay tháp cao. Khả năng này được đánh giá rất cao trong dự đoán động đất hay giám sát chất lượng của các công trình xây dựng. Giao thông, vân tải Ngay sau khi ra đời, hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đã chiếm vai trò quan trọng trong ngành giao thông vận tải, đặc biệt là trong hàng không và hàng hải. Trong ngành hàng không, việc điều khiển máy bay hạ cánh, cất cánh cũng như dẫn đường trong không gian ba chiều yêu cầu khả năng định vị chính xác tới vài met. Trong ngành hàng không dân dụng có liên quan đến tính mạng của hàng trăm hành khách, khả năng định vị yêu cầu không những phải thỏa mãn được độ chính xác đã đặt ra mà còn phải thỏa mãn độ tin cậy và khả năng cảnh báo khi hệ thống định vị cho kết quả không chính xác. Hệ thống định vị thường được sử dụng song song với các bộ cảm biến định hướng (MEMS) để cung cấp độ chính xác và tin cậy cao hơn.           8 Hình 1.4. Ứng dụng quản lý và giám sát bằng GNSS Nhu cầu định vị cho ngành hàng hải cũng rất cao, ngày nay hầu hết các tàu thuyền thương mại đều có gắn máy thu và anten thu tín hiệu định vị, cho độ chính xác tới vài met. Đối với các tàu thuyền cập cảng hoặc đi qua các kênh rạch nhỏ, khả năng định vị với độ chính xác dưới 1 m là cần thiết. Trong các trường hợp này, việc sử dụng kỹ thuật DGPS là rất quan trọng. Đối với hệ thống tàu điện, cũng như hệ thống xe buýt trong thành phố, hệ thống định vị toàn cầu có thể trợ giúp đắc lực trong việc quản lý và giúp nâng cao một cách đáng kể chất lượng phục vụ và tính hiệu quả của hệ thống. Hệ thống các máy thu GPS lắp đặt trên các xe và tàu được kết nối với một hệ thống máy tính dùng liên lạc vô tuyến hai chiều. Dữ liệu được thu thập và phân tích tại các trạm điều khiển trung tâm nhằm đưa ra vị trí chính xác hiện tại của các tàu, xe. Thông tin này không những giúp trạm điều khiển trung tâm có thể quản lý hệ thống một cách           9 hiệu quả mà còn có thể giúp tăng chất lượng phục vụ, ví dụ như cập nhật bảng thông báo điện tử tại các ga tàu nếu có bất kỳ sự chậm trễ nào. Hơn nữa, trạm điều khiển trung tâm cũng có thể thông báo vị trí của tàu hoặc xe buýt cho hành khách đang chờ để họ có thể lên kế hoạch về thời gian một cách chính xác thông qua dịch vụ trả lời điện thoại tự động. Tất nhiên, khách hàng sẽ phải trả một khoảng cước phí nhất định khi sử dụng dịch vụ này. Tương tự, hệ thống taxi cũng cần phải được quản lý nghiêm ngặt để đảm bảo tính hiệu quả cũng như chất lượng phục vụ khách hàng. Một công ty taxi lớn ở các thành phố lớn có thể có tới vài trăm hoặc thậm chí vài nghìn xe taxi. Nhu cầu xác định vị trí của chúng khi đang hoạt động cũng như trong gara trở nên cấp thiết. Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu sẽ cung cấp một giải pháp hợp lý, thông qua thông tin về vị trí của các taxi, trạm điều khiển trung tâm có thể điều phối chúng hiệu quả khi có yêu cầu dịch vụ của khách hàng. Hơn thế nữa, thông tin về vị trí hiện tại của xe cùng với dữ liệu bản đồ số của thành phố được cài đặt trên xe hoặc tại trạm điều khiển có thể trợ giúp đắc lực trong việc dẫn đường và chỉ đường đi ngắn nhất cho lái xe. Ngoài ra, trên phương diện đảm bảo an toàn cho lái xe, các hệ thống định vị với thông tin chính xác về vị trí cũng có thể giúp trạm điều khiển trợ giúp khi lái xe gặp rủi ro. Mỗi khi xe được đưa về gara cất giữ, thông tin định vị có thể trợ giúp đắc lực trong việc đếm đầu xe cũng như giúp cho lái xe xác định được xe của mình ở đâu và tìm được xe nhanh chóng. Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu cho xe hơi đã được nhắc đến từ lâu và đã gặt hái được những thành quả nhất định. Ngày nay, thiết bị định vị nhờ vệ tinh được lắp đặt trong hầu hết các xe hơi hạng sang của các hãng xe hơi nổi tiếng. Dựa trên thông tin về vị trí của mình, người điều khiển xe có thể kết nối trực tiếp với trạm điều khiển và yêu cầu một số thông tin có ích, ví dụ như tình trạng tắc nghẽn giao thông ở đoạn đường phía trước, cũng như tình trạng đường xá và ảnh hưởng của thời tiết trong thời gian thực. Dựa trên các thư viện thông tin về hệ thống giao thông và các quy định đi kèm theo với mỗi đường (ví dụ tốc độ giới hạn) và thông tin về vị trí hiện tại, các phần mềm có thể được xây dựng để dẫn đường cho lái xe,           10